Linux启动过程，用户登录过程，及内核进程调度schedule简单介绍

一．说明

本文以linux-2.4.10 为例主要分析Linux启动过程，用户登录过程，及内核进程调度schedule简单介绍。默认系统平台是自己的i386 架构的pc。

二．Linux启动过程，用户登录过程

在进行schedule 分析之前有必要简单说明一下系统启动过程，内存分配使用等。这样才能自然过渡到schedule 模块。

首先是Linux各个功能模块之间的依赖关系：

 

可见进程调度是整个内核的核心。但这部分，我想说明的是，我的pc是怎样把操作系统从硬盘装载到内存中，并启动进程调度模块的。然后才是后面对schedule的具体分析。

首先，启动操作系统部分，涉及到到三个文件：/arch/i386/boot/bootsect.s、/arch/i386/boot/setup.s、/arch/i386/boot/compressed/head.s。编译安装好一个Linux系统后，bootsect.s模块被放置在可启动设备的第一个扇区（磁盘引导扇区，512字节）。那么下面开始启动过程，三个文件在内存中的分布与位置的移动如下图。

 

在经过上图这一系列过程后，程序跳转到system模块中的初始化程序init中执行，即/init/main.c文件。该程序执行一系列的初始化工作，如寄存器初始化、内存初始化、中断设置等。之后内存的分配如下图：

 

此后，CPU有序地从内存中读取程序并执行。前面的main从内核态移动到用户态后，操作系统即建立了任务0，即进程调度程序。之后再由schedule模块进行整个Linux操作系统中进程的创建（fork），调度（schedule），销毁（exit）及各种资源的分配与管理等操作了。值得一说的是schedule将创建的第一个进程是init（pid=1），请注意它不是前面的/init/main.c程序段。如果是在GNU/Debian系统下，init 进程将依次读取rcS.d，rcN.d（rc0.d~rc6.d其中一个文件夹中的所有脚本），rc.local三个run command脚本等，之后系统的初始化就完成了，一系列系统服务被启动了，系统进入单用户或者多用户状态。然后init 读取/etc/inittab，启动终端设备（(exec)getty）供用户登陆，如debian中会启动6个tty，你可以用组合键ctrl+alt+Fn（F1~F6）来切换。

（下面是第二部分，用户登录过程）

如果是终端登录的话，当用户键入用户名后，getty的工作就完成了。然后它会调用login程序，并将用户名传给login。login能执行多项工作。因为它得到了用户名，于是可以调用getpwnam取得命令文件登录项，然后调用getpass(3)以显示提示“Password:”，接着用户键入口令，它再调用crypt(3)将口令加密，并与该用户在阴影口令文件中pw_passwd字段比较。

如果是网络登录的话，作为系统调用的一部分，init调用一个shell，执行rc脚本，启动守护进程inetd。脚本结束后，inetd的父进程变为init。接着inetd等待TCP/IP连接，当一个连接请求到达时，它执行一次fork，生成子进程执行适当的程序。比如，一个telnet请求到达主机，那么就会fork并exec一个telnetd服务进程。然后，telnetd打开一个伪终端设备，并用fork分成两个进程。父进程处理网络连接的通信，子进程则执行login程序，处理用户的登录与身份验证，过程和上一段的“终端登录”基本一样。

到这里就知道了Linux怎样启动进程调度模块了，也知道了进程调度模块启动的第一个进程init及之后的系统初始化和登陆流程。下面就回过头来分析schedule代码及其相关函数调用。

三．进程调度涉及的数据结构

文件：/linux/include/linux/sched.h

下面只简单介绍数据结构task_struct中的两个字段。

在Linux中，进程（Linux中用轻量级的进程来模拟线程）使用的核心数据结构。一个进程在核心中使用一个task_struct结构来表示，包含了大量描述该进程的信息，其中与调度器相关的信息主要包括以下几个：

1. state

volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */

Linux的进程状态主要分为三类：可运行的（TASK_RUNNING，相当于运行态和就绪态）；被挂起的（TASK_INTERRUPTIBLE、TASK_UNINTERRUPTIBLE和TASK_STOPPED）；不可运行的（TASK_ZOMBIE），调度器主要处理的是可运行和被挂起两种状态下的进程，其中TASK_STOPPED又专门用于SIGSTP等IPC信号的响应，而TASK_ZOMBIE指的是已退出而暂时没有被父进程收回资源的"僵死"进程。

2. counter

long counter;

该属性记录的是当前时间片内该进程还允许运行的时间。

（即进程调度算法）

文件：/kernel/sched.c

1.上下文切换

从一个进程的上下文切换到另一个进程的上下文，因为其发生频率很高，所以通常都是调度器效率高低的关键。由switch_to()实现，而它的代码段在schedule()过程中调用，以一个宏实现。

switch_to()函数正常返回，栈上的返回地址是新进程的task_struct::thread::eip，即新进程上一次被挂起时设置的继续运行的位置（上一次执行switch_to()时的标号"1:"位置）。至此转入新进程的上下文中运行。

这其中涉及到wakeup，sleepon等函数来对进程进行睡眠与唤醒操作。

2.选择算法

Linux schedule()函数将遍历就绪队列中的所有进程，调用goodness()函数计算每一个进程的权值weight，从中选择权值最大的进程投入运行。

Linux的调度器主要实现在schedule()函数中。

转自：http://coolwinding.blog.163.com/blog/static/11224093920108243335514/